智能仪器第二章PPT课件

第二章第二章智能仪器的数据采集技术智能仪器的数据采集技术第二章 智能仪器的数据采集技术 数据采集系统的组成结构1 数据采集系统简称数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。储、处理、显示或打印的装置。数据采集系统简称DAS2第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图2.1 数据采集系统的基本组成 第一节 数据采集系统的组成结构 传感器模拟信号调理数据采集电3 多路模拟输入通道数据采集系统多路模拟输入通道数据采集系统 同时测量多种物理量或同一种物理同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。量的多个测量点。多路模拟输入通道可分为多路模拟输入通道可分为两大类型两大类型：集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 多路模拟输入通道数据采集系统4一、多路模拟信号集中采集式一、多路模拟信号集中采集式1.1.集中式数据采集系统的典型结构之一集中式数据采集系统的典型结构之一传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理模模拟拟多多路路开开关关A/D计计算算机机控制逻辑控制逻辑S/HS/H多路共用采集电路分时采集多路共用采集电路分时采集 一、多路模拟信号集中采集式 1.集中式数据采集系统的典52.2.集中式数据采集系统的典型结构之二集中式数据采集系统的典型结构之二传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理S/HS/H模模拟拟多多路路开开关关S/HA/D计计算算机机控制逻辑控制逻辑多路同步取样共用多路同步取样共用A/DA/D分时采集分时采集2.集中式数据采集系统的典型结构之二传感器1传感器2传感器63.3.集中式数据采集系统的典型结构之三集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样多通道同步采样A/DA/D，分时传输数据，分时传输数据多通道独立取样多通道独立取样A/DA/D，有通道缓存，有通道缓存3.集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样A/D，7通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号或数字信号模拟信号或数字信号网络式数据采集结构网络式数据采集结构二、分布式采集二、分布式采集通信接口上位机数据数据数据数据模拟信号或数字信号8第二节第二节模拟信号调理模拟信号调理采集系统信号调理采集系统信号调理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任务：的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。和量程切换等。第二节 模拟信号调理采集系统信号调理（Signal Co9传感传感器器前置前置放大放大滤滤波波程控程控放大放大滤滤波波采集采集电路电路 典型模拟调理电路的组成框图典型模拟调理电路的组成框图传感器前置滤程控放大滤采集 典型模拟调理电路的组成框图 10传传感感器器是是信信号号输输入入通通道道的的第第一一环环节节，也也是是决定整个测试系统性能的关键环节之一。决定整个测试系统性能的关键环节之一。正确选用传感器：正确选用传感器：明明确确所所设设计计的的测测控控系系统统对对传传感感器器的的技技术术要求；要求；了了解解现现有有传传感感器器厂厂家家有有哪哪些些可可供供选选择择的的传感器传感器，自行设计传感器自行设计传感器 一、传感器的选用一、传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统11将被测量将被测量转换为转换为后续电路可用电量后续电路可用电量：1.1.转换范围：转换范围：与被测量实际变化范围相一致。与被测量实际变化范围相一致。2.2.转换精度：转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标；而分配给传感器的精度指标；3.3.转换速度（带宽）：转换速度（带宽）：符合整机要求；符合整机要求；4.4.能能满足满足被测介质和使用被测介质和使用环境的特殊要求环境的特殊要求，如耐，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；5.5.能满足用户对能满足用户对可靠性和可维护性可靠性和可维护性的要求。的要求。(一一)对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求将被测量转换为后续电路可用电量：(一)对传感器的主要技术12对对于于一一种种被被测测量量，常常常常有有多多种种传传感感器器可可以以测测量量，例例如如测测量量温温度度的的传传感感器器就就有有：热热电电偶偶、热热电电阻阻、热热敏敏电电阻阻、半半导导体体PN结结、IC温温度度传传感感器器、光光纤纤温温度度传传感感器器等等好好多多种种。在在都都能能满满足足测测量量范范围围、精精度度、速速度度、使使用用条条件件等等情情况况下下，应应侧侧重重考考虑虑成成本本低低、相相配配电电路路是是否否简简单单、可可靠靠性性等等因因素素进进行行取取舍舍，尽尽可可能能选选择择性性能能价价格格比比高的传感器。高的传感器。(二二)选用什么类型传感器选用什么类型传感器对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感131.1.大信号输出传感器大信号输出传感器:为了与为了与A/DA/D输入要求相适应，传感器输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与厂家开始设计、制造一些专门与A/DA/D相配相配套的大信号输出传感器。套的大信号输出传感器。传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号修正与变换滤波滤波A/D微机微机微机微机I/V转换转换V/F光电耦合光电耦合小电流小电流小电压小电压大电压大电压大电流大电流图图3.5大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用大信号输出传感器:传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变142.数字式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。2.数字式传感器：15频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用传感器传感器放大放大整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机传感器传感器整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机频率频率输出输出开关量开关量输出输出频率量及开关量输出传感器的使用 传感器放大光电计算机传感器整16 集成传感器是将传感器与信号调理集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。的信号调理任务，简化通道结构。3.3.集成传感器集成传感器 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将174.4.光纤传感器：光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。路系统的电磁干扰。光纤传感器可以从根本上解决由现光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。场通过传感器引入的干扰。4.光纤传感器：18放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”,”,即即设设置置在在调调理理电路的最前端？电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器的放大倍数应该多大？二、运用前置放大器的依据二、运用前置放大器的依据当传感器输出信号比较小，必须选用前当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。置放大器进行放大。放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？二、运用前19VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVON放大器噪声分析放大器噪声分析总的等效输出噪声：总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：总的等效输入噪声：VINVISVIN0 VOS VON放大器噪声分析总20两种调理电路的对比两种调理电路的对比 （a）（b）由于由于 K K1,1,所以，所以，调理电路中放大器设置在，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。VIN0VIN0VIN1VIN1两种调理电路的对比（a）（b）由于 K1,所以，21三、信号调理通道中的常用放大器三、信号调理通道中的常用放大器 仪用放大器仪用放大器程控增益放大器程控增益放大器隔离放大器隔离放大器 三、信号调理通道中的常用放大器 仪用放大器22(一一)仪用放大器仪用放大器仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构 (一)仪用放大器 仪用放大器的基本结构 23 仪仪用用放放大大器器上上下下对对称称，即即图图中中R1=R2R1=R2，R4R4R6R6，R5R5R7R7。则放大器闭环增益为：。则放大器闭环增益为：假假设设R4=R5R4=R5，即即第第二二级级运运算算放放大大器器增增益益为为1 1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻R RG G，可以很，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，用集成仪用放大器时，R RG G一般为外接电阻。一般为外接电阻。仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R524 在实际的设计仪用放大电路过程在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要中，重点考虑以下主要性能指标：性能指标：1.1.非线性度非线性度 2.2.温漂温漂 3.3.建立时间建立时间 4.4.恢复时间恢复时间 5.5.电源引起的失调电源引起的失调 6.6.共模抑制比共模抑制比 在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要性251.1.非线性度非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。与理想直线的偏差。VIVO1.非线性度VIVO262.2.温漂温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。度变化而变化的程度。输出电压会随温度的变化而发生输出电压会随温度的变化而发生(150)(150)V/V/变化，这与仪用放大器的变化，这与仪用放大器的增益有关。增益有关。2.温漂273.3.建立时间建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。4.4.恢复时间恢复时间 指指放放大大器器撤撤除除驱驱动动信信号号瞬瞬间间至至放放大大器器由由饱饱和状态恢复到最终值所需的时间。和状态恢复到最终值所需的时间。放放大大器器的的建建立立时时间间和和恢恢复复时时间间是是由由频频带带宽宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。3.建立时间 放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定，285.5.电源引起的失调电源引起的失调 指电源电压每变化指电源电压每变化1%1%，引起放大器的，引起放大器的漂移电压值。漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。是设计系统稳压电源的主要依据之一。5.电源引起的失调296.6.共模抑制比共模抑制比CMRR=20logAdef/Acom国产放大器的共模抑制比国产放大器的共模抑制比60-120DB 6.共模抑制比30(二二)程控增益放大器程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在许多实际程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。的分辨力，常采用可变增益放大器。增益由仪器内置计算机的程序控制。增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。放大器。(二)程控增益放大器31程控放大器原理框图程控放大器原理框图 选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。PGA202/204等是增益等是增益1、10、100、1000四档、由两条四档、由两条TTL逻辑控制。逻辑控制。程控放大器原理框图 选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。32(三三)隔离放大器隔离放大器隔离模式：隔离模式：两两口口隔隔离离：信信号号输输入入部部分分与与信信号号输输出出部部分分欧欧姆姆隔离；隔离；三三口口隔隔离离：信信号号输输入入部部分分、信信号号输输出出部部分分、功功率供给部分彼此欧姆隔离；率供给部分彼此欧姆隔离；三三种种隔隔离离办办法法：光光隔隔离离、电电容容隔隔离离、变变压压器器隔隔离（电磁）。离（电磁）。(三)隔离放大器33应用场合应用场合:高共模电压场合：如电力线电流取样、高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差；强电场中测量小范围电压差；测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高而对信号的传递精度要求又高;多个系统不能共地。多个系统不能共地。应用场合:34特点：特点：1.1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。防止高压对低压信号系统的损坏。2.2.泄泄漏漏电电流流低低，对对于于测测量量放放大大器器的的输输入入端端无无须须 提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3.3.共共模模抑抑制制比比高高，能能对对直直流流和和低低频频信信号号进进行行准准确、安全的测量。确、安全的测量。特点：35GF289GF289集成隔离放大器集成隔离放大器GF289集成隔离放大器36GF289GF289典型接法典型接法GF289典型接法 37第三节第三节传统传统A/D转换器及接口技术转换器及接口技术1.ADC的基本概念的基本概念2.技术指标的含义技术指标的含义3.比较型比较型ADC、积分型、积分型ADC、V/F的转换原理的转换原理4.典型芯片选择及接口设计典型芯片选择及接口设计5.第三节 传统 A/D转换器及接口技术 ADC的38量化特性及量化误差量化特性及量化误差 1.ADC1.ADC的基本概念的基本概念量化特性及量化误差 1.ADC的基本概念39智能仪器第二章PPT课件40一般而言，一般而言，n位位ADC的理想传输函数由以的理想传输函数由以下两个式子定义：下两个式子定义：Vr是模拟输入满量程一般而言，n位ADC的理想传输函数由以下两个式子定义：V41理想理想ADCADC的传输特性和量化误差的传输特性和量化误差理想ADC的传输特性和量化误差 42A/D转换器技术指标的含义转换器技术指标的含义分辨率分辨率转换时间转换时间精度精度误差误差A/D转换器技术指标的含义分辨率43(1)分辨率分辨率 ADCADC的分辨率定义为的分辨率定义为ADCADC所能分辨所能分辨的输入模拟量的最小变化量。的输入模拟量的最小变化量。用用ADCADC输出数字量的位数输出数字量的位数n n表示，表示，代表代表ADCADC有有2 2n n个可能状态，可分辨出个可能状态，可分辨出满量程满量程值的值的1/21/2n n 的输入变化量。此的输入变化量。此输入变化量称为输入变化量称为1LSB1LSB（即即一个量子一个量子Q Q）(1)分辨率44 (2)(2)转换时间转换时间 A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间转换器完成一次转换所需的时间定义为定义为A/DA/D转换时间。其倒数称为转换转换时间。其倒数称为转换速率速率。与实现转换所与实现转换所采用的电路技术采用的电路技术有关有关 与位数有关与位数有关 采集系统转换时间还与采集系统转换时间还与接口模式接口模式有关有关 (2)转换时间45(3)(3)精度与误差精度与误差 绝对误差绝对误差(精度精度)数数字字输输出出码码所所对对应应的的模模拟拟输输入入电电压压实实际值与理想值之差。际值与理想值之差。绝绝对对误误差差由由增增益益误误差差、偏偏移移误误差差、非非线线性性误差、噪声等组成。误差、噪声等组成。相对误差相对误差(精度精度)数数字字输输出出码码所所对对应应的的模模拟拟输输入入实实际际值值与与理理想想值值之之差差与与模模拟拟满满量量程程值值之之比比，用用表表示示 。绝对误差。绝对误差/满量程值之比。满量程值之比。(3)精度与误差46偏移误差偏移误差（又称为偏移电压）（又称为偏移电压）定义定义:为使为使ADCADC的输出最低位为的输出最低位为1 1，施加，施加到到ADCADC模拟输入端的实际电压与理论值模拟输入端的实际电压与理论值(1/2V(1/2Vr r2 2n n)()(即即1/2LSB1/2LSB所对应的电压值所对应的电压值)之之差差.在一定环境温度条件下，偏移电压是可在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在以调零的。在ADCADC的产品技术说明书中都给的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为出偏移误差的温度系数，单位为1010-6-6/，其值约在几到几十范围内。其值约在几到几十范围内。偏移误差（又称为偏移电压）47增益误差（满量程误差）增益误差（满量程误差）指指ADCADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。分数表示。可调，受温度影响。线性度误差线性度误差积分线性度积分线性度误差和误差和微分线性度微分线性度误差两种。误差两种。a a积分线性度误差积分线性度误差偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为离值，有时也称为线性度误差线性度误差。增益误差（满量程误差）48b b微分线性度误差微分线性度误差定义为定义为ADCADC传输特性台阶的宽度（实际传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于于V Vr r/2/2n n的偏离值。的偏离值。失码（失码（Missing CordMissing Cord）或跳码）或跳码(Skipped Cord)(Skipped Cord)，也叫做非单调性。，也叫做非单调性。b微分线性度误差49ADCADC的积分线性度误差的积分线性度误差 ADC ADC的微分线性度误差的微分线性度误差ADC的积分线性度误差 ADC的微分线性度误差50ADC的失码现象的失码现象ADC的失码现象 51温度对误差的影响温度对误差的影响 环境温度的改变会造成偏移、增环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。益和线性度误差的变化。温度对误差的影响52二、传统二、传统ADC的转换原理的转换原理(一一)比较型比较型ADCADC比较型比较型ADC可分为反馈比较型及非反馈可分为反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型的逐次逼近型ADC是反馈型。是反馈型。二、传统ADC的转换原理53逐次逼近式转换器原理逐次逼近式转换器原理 逐次逼近式转换器原理 54(二二)积分型积分型ADC双积分双积分ADC(二)积分型ADC双积分ADC 55双积分式双积分式ADCADC的优点：的优点：对对R、C及及时时钟钟脉脉冲冲Tc的的长长期期稳稳定定性性无无过过高高要要求即可获得很高的转换精度。求即可获得很高的转换精度。微微分分线线性性度度极极好好，不不会会有有非非单单调调性性。因因为为积积分分输输出出是是连连续续的的，因因此此，计计数数必必然然是是依依次次进进行行的的,即从本质上说，不会发生丢码现象。即从本质上说，不会发生丢码现象。积积分分电电路路为为抑抑制制噪噪声声提提供供了了有有利利条条件件。双双积积分分式式ADC是是测测量量输输入入电电压压在在定定时时积积分分时时间间T1内内的的平平均均值值，对对干干扰扰有有很很强强的的抑抑制制作作用用，尤尤其其对对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。双积分式ADC的优点：56(三三)V/F)V/F型型ADCADC它主要由它主要由V/FV/F转换器和计数器构成。转换器和计数器构成。V/F V/F型型ADCADC的特点是：的特点是：与积分式与积分式ADCADC一样，一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。应用场合；易于实现光电隔离。(三)V/F型ADC57三、常用三、常用ADC与微处理器的接口与微处理器的接口从计算机接口理解模式从计算机接口理解模式三、常用ADC与微处理器的接口58(一一)AD574A及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口AD574A的管脚图的管脚图(一)AD574A及其与微处理器的接口AD574A的管脚图59ADC574A单极性和双极性输入接法单极性和双极性输入接法ADC574A单极性和双极性输入接法 60AD574的控制状态表：的控制状态表：AD574的的8位输出数据格式位输出数据格式AD574的控制状态表：AD574的8位输出数据格式61AD574AAD574A启动转换和读数据时序启动转换和读数据时序AD574A启动转换和读数据时序 62AD574AAD574A与与80318031的接口的接口 AD574A与8031的接口 63AD574AD574系列产品主要性能比较系列产品主要性能比较AD574系列产品主要性能比较64第四节第四节 -型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术过采样技术过采样技术-调制技术调制技术增加了数字电路的比例，易于实现单片集成增加了数字电路的比例，易于实现单片集成以较低的成本实现高精度的以较低的成本实现高精度的A/DA/D变换器变换器理论基础理论基础:信号采样量化理论信号采样量化理论第四节 -型ADC原理与接口技术过采样技术理论基础:65若若输输入入信信号号的的最最小小幅幅度度大大于于量量化化器器的的量量化化阶阶梯梯Q,量量化化噪噪声声的的总总功功率率是是一一个个常常数数,与与采采样样频频率率fs无无关关,功率密度谱功率密度谱在在0fs/2的频带范围内均匀分布。的频带范围内均匀分布。量量化化噪噪声声电电平平与与采采样样频频率率成成反反比比,提提高高采采样样频频率率,可可以以降降低低量量化化噪噪声声电电平平,而而基基带带是是固固定定不不变变的的,因因而减少了基带范围内的噪声功率而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。提高了信噪比。理论基础:信号采样量化理论一、一、-型型ADCADC原理原理若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q,量化噪声的总功661.1.过采样技术过采样技术过采样：过采样：以远远高于奈奎斯特以远远高于奈奎斯特（Nyquist)Nyquist)采样频率的频率采样频率的频率对模拟信号进行采样。对模拟信号进行采样。1.过采样技术过采样：67过采样技术原理图过采样技术原理图 功功率率密密度度过采样技术原理图 功率密度68带模拟滤波和数字滤波的过采样带模拟滤波和数字滤波的过采样 带模拟滤波和数字滤波的过采样 69图图 一阶一阶-ADC-ADC 2.-2.-调制及噪声整形技术原理调制及噪声整形技术原理 图 一阶-ADC 2.-调制及噪声整形技术原理 70图图二阶二阶-ADC图二阶-ADC 71信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系 72精度精度(n)M(1阶阶)M(2阶阶)M(3阶阶)M(4阶阶)1220486514819212936221632768257593118131072514934320524288103414561单级调制器14阶与达到分辨率的最低过采样比 精度(n)M(1阶)M(2阶)M(3阶)M(4阶)1220473二、二、CS5360CS5360及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口 1.CS53601.CS5360简介简介uu真正的真正的24位转换位转换uu105dB的动态范围的动态范围uu低噪声，总谐波失真低噪声，总谐波失真95dBuu-A/D转换技术转换技术uu片内数字抗混叠滤波及电压参考片内数字抗混叠滤波及电压参考uu最高采样率最高采样率50KHzuu差动模拟输入差动模拟输入uu单单+5V电源供电电源供电二、CS5360及其与微处理器的接口 1.CS5360简介74 CS5360 CS5360功能框图功能框图 CS5380 CS5381 CS5360功能框图75 数字接口电路功能框图数字接口电路功能框图 数字接口电路功能框图 76 基于基于FPGAFPGA的数字接口电路部分的设计的数字接口电路部分的设计 接口功能框图接口功能框图 基于FPGA的数字接口电路部分的设计 接口功能框图77 串并转换电路原理图串并转换电路原理图 串并转换电路原理图 78高速高速A/DA/D转换器转换器逐次近似逐次近似A/DA/D法（几十法（几十MHzMHz）闪电式闪电式A/DA/D法（几百法（几百MHzMHz）分量程分量程A/DA/D法（几百法（几百MHzMHz）流水线流水线A/DA/D法（几百法（几百MHzMHz）谐振隧道二极管谐振隧道二极管A/DA/D法（法（1GHz1GHz以上）以上）视频、数字示波器、频谱测试、雷达视频、数字示波器、频谱测试、雷达 采样率采样率10MHz10MHz以上以上参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育出版社参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育出版社高速A/D转换器逐次近似A/D法（几十MHz）视频、数字示波79第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 一、系统设计考虑的因素一、系统设计考虑的因素 二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点 三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 四、多路测量通道的串音问题四、多路测量通道的串音问题 五、主放大器的设置五、主放大器的设置 六、数据采集系统实例六、数据采集系统实例 第五节 数据采集系统设计及举例 一、系统设计考虑的80一、采集系统设计考虑的主要因素一、采集系统设计考虑的主要因素v 输入信号的特性输入信号的特性 v 对数据采集系统性能的要求对数据采集系统性能的要求v 接口特性接口特性一、采集系统设计考虑的主要因素 输入信号的特性 81输入信号的特性：输入信号的特性：1.1.信号的数量信号的数量2.2.信信号号的的输输入入方方式式（单单端端、差差动动、单单极极性性、双双极极性，接地、浮地性，接地、浮地）3.3.信号的强弱及动态范围信号的强弱及动态范围4.4.信号的频带宽度信号的频带宽度5.5.信号是周期还是瞬态信号是周期还是瞬态6.6.信号中的噪声信号中的噪声7.7.共模电压大小共模电压大小8.8.信号源的阻抗信号源的阻抗输入信号的特性：82对数据采集系统性能的要求：对数据采集系统性能的要求：1.系统的系统的采样速率采样速率2.系统的分辨率系统的分辨率3.系统的精度系统的精度1.1.主机（主机（PCPC、MCUMCU、DSPDSP）2.2.并行、串行、总线并行、串行、总线3.3.数据的编码格式数据的编码格式 接口特性接口特性 ：对数据采集系统性能的要求：系统的采样速率主机（PC、MCU83二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点1.A/D1.A/D转换位数转换位数2.2.转换速度转换速度3.3.环境条件环境条件 4.4.接口接口二、A/D转换器的选择要点1.A/D转换位数841.A/D转换位数转换位数m系统精度指标系统精度指标 的的1010倍原则倍原则1.A/D转换位数m系统精度指标的10倍原则852.A/D转换速度的确定转换速度的确定转换速率转换速率f=f=t tc c转换时间；转换时间；t to o休止时间休止时间NN模拟输入通道数；模拟输入通道数；CC截频系数，大于截频系数，大于2 22.A/D转换速度的确定 转换速率f=tc转换时间；86三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 捕捉时间孔径时间三、采样保持器S/H的选择 捕捉时间孔径时间87最大孔径误差最大孔径误差 在在数数据据采采集集系系统统中中，若若要要求求最最大大孔孔径径误误差差不不超超过过q q，则由此限定的被转换信号的最高频率为，则由此限定的被转换信号的最高频率为:V最大孔径误差 在数据采集系统中，若要求最大孔径误差不超88不加采样不加采样/保持器保持器 加采样加采样/保持器保持器 一个一个1212位位ADCADC，t tc c=25s=25s信信号频率不能超过号频率不能超过1.5Hz1.5Hz。tAP=10nsfmax=3750Hz不加采样/保持器 加采样/保持器 一个12位ADC，tc=289A/DA/D转换时间转换时间t tC C 内内S/HS/H理想情况下应保持不变理想情况下应保持不变存在输出电压的跌落存在输出电压的跌落I ID D为流过保持电为流过保持电容容C CH H的漏电流的的漏电流的代数和代数和:模拟开模拟开关断开时的漏电关断开时的漏电流、保持电容本流、保持电容本身的介质漏电和身的介质漏电和介质吸附效应引介质吸附效应引起的电荷变化起的电荷变化。A/D转换时间tC 内S/H理想情况下应保持不变存在输出电压90四、多路测量通道的串音问题四、多路测量通道的串音问题 MUXMUX电路模型电路模型 模拟开关模拟开关的断开电阻的断开电阻R Roffoff不是无穷大和不是无穷大和多路模拟开关多路模拟开关中存在寄生电中存在寄生电容的缘故。容的缘故。低频等效电路低频等效电路 高频等效电路高频等效电路RiRoffRon四、多路测量通道的串音问题 MUX电路模型 模拟开关91例例:设八路输入转换开关设八路输入转换开关,导通电阻导通电阻100欧姆欧姆,关断时单路漏电流关断时单路漏电流1A。输。输入信号是温度传感器输出电压，内入信号是温度传感器输出电压，内阻阻400欧姆。试估算漏电流产生的误欧姆。试估算漏电流产生的误差。差。例:92(1)(1)为为减减少少漏漏电电流流影影响响,减减小小信信号号源源内内阻阻R Ri i，为为此前级应采用电压跟随器；此前级应采用电压跟随器；(2)(2)选用选用R Ronon极小、极小、R Roffoff极大的开关管；极大的开关管；(3)(3)减少输出端并联的开关数减少输出端并联的开关数N N。若。若N=1N=1，则则V VN N=0=0。(4)(4)减小串音应选用寄生电容小的减小串音应选用寄生电容小的MUXMUX。(5)(5)模拟开关不用的输入端接地。模拟开关不用的输入端接地。(1)为减少漏电流影响,减小信号源内阻Ri，为此前级应采用电93数据采集系统实例数据采集系统实例误差分析误差分析 教材P51-58深化你所设计深化你所设计数据采集系统：数据采集系统：1.1.详细给出系统电路图；详细给出系统电路图；2.2.给出设计指标，逐一说明或论证。给出设计指标，逐一说明或论证。（能够采集的信号特征，达到采样率、分辨率等，电（能够采集的信号特征，达到采样率、分辨率等，电源，成本）；源，成本）；3.3.主要误差估算，分析达到的精度；主要误差估算，分析达到的精度；4.4.画出采集程序流程图；画出采集程序流程图；4.4.改进或创新之处。改进或创新之处。数据采集系统实例教材P51-58深化你所设计数据采集系统94